JP2004518389A - ナノスケール圧電発電システム - Google Patents
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Abstract
ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するシステムおよび方法である。システムは、構造およびインタフェースを備えている。構造は、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えている。動作に関しては、システムは、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。詳細にはアレイが力を受け、その力から電気を圧電発生している。アレイは、インタフェースと電気結合している。構造は、インタフェースを介して、インタフェースと結合している電気デバイスに電気を供給することができる。
Description
【0001】
(I.発明の分野)
本発明は一般に機械力が印加されると電気を発生する材料構造に関し、より詳細にはホスト・デバイス(上位装置)で使用するために電気を発生するシステムおよび方法に関する。このシステムは、機械力を受け取り、その機械力から電気を圧電発生させるための単一壁炭素ナノチューブ・アレイ(配列装置)を特徴としている。
【0002】
(II.従来技術の詳細な説明)
例えば電動機車両、遠隔知覚システム、およびコンピュータ、セルラー電話、パーソナル・データ・アシスタント(PDA)などの可搬型無線情報デバイスなど、多くの典型的なホスト・システムの実施例には、それらを動作させるための電気が必要である。しかし、これらの移動ホスト・デバイスは、例えば壁のコンセントなど標準の電力源から離れた領域で使用されるため、しばしばその運用活動が制限されている。
【0003】
通常、このような遠隔領域でホスト・デバイスを動作させるために、バッテリ・システムおよび/または石油で動作する発電機などの可搬型発電システムを使用して電気が供給されている。可搬型コンピュータおよびセル電話などの小型電気デバイスにはバッテリ・システムが広く使用されているが、より大型のデバイスには、可搬型発電機または発電機とバッテリ・システムを特徴とするハイブリッド・システムが必要である。
【0004】
残念ながら、デバイスの複雑化に伴い、バッテリ・システムおよび/または可搬型発電機は、ホスト・デバイスに電気を供給するための動作寿命が有限である。例えば電気エネルギーを使い果たしたバッテリ・システムは、一定の電気を供給してホスト・デバイスの動作を継続させるためには、標準の電気コンセントを介して充電するか、あるいは他のバッテリと交換しなければならない。同様に、可搬型発電機は、電気を発生する関連部品を駆動するために、例えば化石燃料、核燃料棒、水素燃料電池などの燃料源を補給しなければならない。
【0005】
電気に基づくデバイスに対する相互依存がますます強くなっているにもかかわらず、既存の遠隔電気発電システムの電気供給は、その供給時間すなわち連続使用動作期間が長くなっていない。
【0006】
従来技術のその他の多くの問題および欠点については、これらの従来技術と本明細書において説明する本発明とを比較することにより、当業者には明らかになるであろう。
【0007】
(発明の概要)
炭素の3つの共通の同素体は、バッキーボールなどのダイヤモンド、グラファイトおよびフラーレン(fullerene)である。例えば炭素ナノチューブは、圧電に関する電気特性ばかりでなく、鋼および他の材料より優れた機械強度特性およびひずみ特性を示し、かつ、現行のセラミックまたは重合体複合材と同程度またはそれ以下の、極めて小さい密度特性を示す新しいタイプのフラーレンである。
【0008】
炭素ナノチューブは、典型的には中空管状タイプのフラーレン構造である。通常、炭素ナノチューブは、六角形格子、場合によっては七角形格子と五角形格子を組み合わせた二次元シートからなっている。このシートは、まとめて折り重ねられ、両端にフラーレン・キャップの蓋が施されることもある。形状が管状であるため、炭素ナノチューブは外側に向かって延び、その直径の何百万倍もの長さを潜在的に有する素線を形成している。
【0009】
圧電特性には、機械的な力の印加による、炭素ナノチューブと結合した誘電体結晶構造中での電気の発生が含まれていることに言及しておく。また、炭素ナノチューブは、その結晶格子構造の配列に応じて、絶縁特性、半導電特性および金属電気特性を組み合わせた多様性を備えている。詳細には、ナノチューブのカイラリティすなわち捻れが、コンダクタンス(導電率)、密度、格子構造、およびナノチューブに関連する他の特性をもたらしている。
【0010】
本発明の態様は、ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するためのシステムおよび方法に見出される。一例示的実施形態では、システムは、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた構造を備えている。
【0011】
動作に関しては、システムは、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。詳細にはアレイが力を受け、受けた力から電気を圧電発生している。システムは、さらに、アレイと電気結合したインタフェース(仲立ち装置)を備えており、上記の構造は、このインタフェースによって、インタフェースと結合した電気デバイスに電気を供給することができる。
【0012】
一態様では、システムは、さらに、インタフェースと電気結合したバッテリ・アセンブリ(組立体)を備えている。動作に関しては、バッテリ・アセンブリがアレイから電気を受け取っている。
【0013】
一態様では、インタフェースは変換器を備えており、この変換器がアレイから電気を受け取り、直流と交流の間の変換を提供している。
【0014】
一例示的実施形態では、アレイは、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブを備えている。他の例示的実施形態では、アレイは、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブを備えている。他の例示的実施形態では、アレイは、複数の導電単一壁炭素ナノチューブを備えている。
【0015】
一態様では、ホスト・デバイスは、超小型電気機械システム(MEM)を備えている。他の態様では、ホスト・デバイスは、サイズの範囲が1×10−9メートル以内のシステムを表すナノスケール・システムを備えている。一例示的実施形態では、構造がスプリングからなっていることにさらに言及しておく。
【0016】
さらに他の態様では、方法には、ホスト・デバイスで使用するために電気を供給する段階が含まれている。また、方法には、アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階が含まれている。
【0017】
本発明の他の態様、利点および新規な特徴については、添付の図面と共に本発明についての詳細な説明を考察することにより、明らかになるであろう。
【0018】
図に示す構成要素が、分かり易く簡潔に示されており、また、必ずしもスケール通りに画かれていないことについては、当業者には理解されよう。例えば、本発明の実施形態をより深く理解するために、図に示す構成要素のいくつかは、他の構成要素に対して寸法が誇張されている。
【0019】
添付の図は、何ら制限されることのない実施例として本発明を示したものである。図の類似参照番号は、類似の構成要素を表している。
【0020】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
図は、本発明の好ましい実施形態を示したもので、全図を通して類似番号を使用して、同一部品および対応する部品が参照されているが、開示する実施形態が単に本発明の典型例に過ぎず、様々な形態で具体化することができることを理解すべきである。
【0021】
図1は、ホスト・デバイス50で使用するために電気を発生するシステム10の態様を示したもので、数ある態様のうちの1つである。通常、システム10は、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。
【0022】
図1に示すように、システム10は構造20を備えている。構造20は、基盤21および基盤21と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイ22を備えている。
【0023】
動作に関しては、構造20は力を受けている。したがってその力によってアレイ22が変位し、その変位によって電気が圧電発生する。
【0024】
電気は、事実上、元の位置から機械的に変位した単一壁炭素ナノチューブの各々に対して圧電発生する。したがって各々の単一壁炭素ナノチューブが互いに集合的に協同し、それによりアレイ22は、それぞれ機械的に変位した単一壁炭素ナノチューブの合計によって特性化される電気を発生する。
【0025】
構造20によって生成される電気の量は、アレイ22を形成している炭素ナノチューブの総数によって決まる。また、構造によって生成される電気の量は、構造20、基盤21およびアレイ22の形状およびサイズ構成によって決まる。構造20によって生成される電気の量は、さらに、アレイ22によって提供される各単一壁炭素ナノチューブの格子構造の形状およびサイズ構成によって決まる。実例として例えばアレイ22は、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブ26、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブ27、および/または導電または高導電炭素ナノチューブ28のアレイを備えている。
【0026】
電気を圧電発生させるための力変位に適応する限り、構造20の構成を任意の形状またはサイズ構成にすることができることは、当業者には容易に認識されよう。したがって図1の文字「C」で示すように、構造20に圧縮力が印加されると、アレイ22は機械的に変位する。この圧縮力の印加によって炭素ナノチューブが変位し、それにより電気が圧電発生する。同様に、実例として図1の文字「T」で示す引張り力を構造20に印加することにより、アレイ22は電気を圧電発生する。
【0027】
図1に示す一例示的実施形態では、構造20はスプリング構成になっており、したがってスプリング構造20による元の位置からの変位と元の位置への復帰運動によってアレイ22が自由に運動し、それにより電気の圧電発生が強化されている。
【0028】
一例示的実施形態では、基盤21は、アレイ22に電気的に適応する材料からなっている。一例示的実施形態では、基盤21は、少なくとも1つの電解材を備えている。一例示的実施形態では、基盤21は、アレイ22の変位に適応するべく、例えばエラストマーすなわちスマート材などの弾性材からなっている。
【0029】
一例示的実施形態では、アレイ22は、以下でさらに詳細に考察するように、電気の圧電発生を最適化するべく、基盤21に関して配列されている。実例としては、図1および2の例示的実施形態の場合、アレイ22は、メッシュすなわち「ネット形状」構成になっており、したがってアレイ22を画定している単一壁炭素ナノチューブは、ネットすなわちメッシュ形状構成で配列され、それにより電気を圧電発生し、かつ、構造20から引き渡すための電気回路を形成している。また、各炭素ナノチューブの強度特性および破砕特性により、炭素ナノチューブをメッシュ様構造にすることによって基盤21が補強され、ひいてはその機械力による反復変位にもかかわらず、構造20の最適形状およびサイズが維持されている。実例として一例示的実施形態では、単一壁炭素ナノチューブのアレイ22によって提供されるネット形状により、スプリング構成を有する構造20が強化されている。一例示的代替実施形態では、図9に示すアレイ84は、ファン(扇)様形状からなっており、構造28の末端領域は、その反対側の、変位量が少なく、したがって単一壁炭素ナノチューブの量が少ない領域と比較すると単一壁炭素ナノチューブがより多く集中している。
【0030】
図1を参照すると、システム10は、さらに、アレイ22と電気結合したインタフェース30を備えている。動作に関しては、インタフェース30は、アレイ22が発生する電気を受け取っている。また、インタフェース30は電気デバイスとリンクしており、アレイ22からインタフェース30を介して、これには限定されないが、バッテリ・アセンブリまたはホスト・デバイスなどの電気デバイスに電気を引き渡している。
【0031】
一例示的実施形態では、インタフェース30は、図1に示すように、リード(導出)・アセンブリ35を備えている。リード・アセンブリ35は、アレイ22と電気結合しており、構造20からリード・アセンブリ35に電気が引き渡される。リード・アセンブリ35はライン(導線)31を備えている。動作に関しては、ライン31によって、インタフェース30を介してリード・アセンブリ35から電気が引き渡される。
【0032】
一例示的実施形態では、インタフェースは変換器33を備えている。変換器33はアレイ22から電気を受け取り、直流と交流の変換を提供している。また、一例示的実施形態では、変換器33は、例えばNew Jersey州Cedar KnollsにあるTDI製の5.0キロワット(kW)DC−AC正弦波インバータなど、当業界で良く知られているタイプのインバータを備えている。
【0033】
図1を参照すると、システム10は、さらに、インタフェース30と電気結合したバッテリ・アセンブリ40を備えている。動作に関しては、インタフェース30を介してアレイ22から受け取った電気を使用して、バッテリ・アセンブリ40を充電している。一例示的実施形態では、インタフェース30は、バッテリ・アセンブリ40を徐々に充電するべく、細流充電シーケンスを実施するための回路を備えている。一例示的実施形態では、バッテリ・アセンブリ40は、構造22によって充電される複数のバッテリを備えている。
【0034】
図1の参照矢印44で示すように、アレイ22によって生成された電気は、最終的にはシステム10からホスト・デバイス50へ引き渡される。ホスト・デバイスには、例えば動作用直流電気あるいは交流電気を必要とする任意の1つまたは複数のデバイスが含まれていることは、当業者には認識されよう。ホスト・デバイスとして、例えば、セル電話、ディジタル・カメラおよび可搬型コンピュータがあるが、これらに限定されるものではない。
【0035】
ホスト・デバイス50に最終的に電気を提供するために、バッテリ・アセンブリ40をインタフェース30に結合する必要のない他の例示的実施形態が存在していることについては、当業者には容易に認識されよう。これに代えて、変換器33と結合したインタフェース30に、ホスト・システム50に交流を直接提供させることもできる。
【0036】
要約すると、ホスト・デバイス50に電気を提供するためのシステム10の動作は、次の通りである。構造20に印加される機械力によってアレイ22が変位し、それによりアレイ22を構成している炭素ナノチューブが電気を圧電発生する。アレイ22は、発生した電気を構造20からインタフェース30に引き渡すための回路を形成している。インタフェース30は、最終的に電気をホスト・デバイス50に引き渡すために、システム10によって設けられている。
【0037】
図2の例示的実施形態を参照すると、システム110は、ホスト・デバイス155で使用するために電気を生成している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス155は超小型電気機械システム(MEM)を備えており、それによりアレイ122の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス155が消費する電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス155は、サイズの範囲が1×10−6メートルと1×10−9メートルの間の大きさのシステムを備えており、それによりアレイ122の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス155が消費する電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス155は、サイズが約1×10−9メートルまでの大きさのシステムを備えており、それによりアレイ122の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス155が消費する電気を圧電発生している。
【0038】
図2の例示的実施形態は、図1に示す例示的実施形態と類似しているが、図2のシステム110は別法として、MEMホスト・デバイス155に電気を提供している。したがってシステム110は、基盤121に関して配列されたアレイ122を有する構造120を備えている。アレイ122は、これらには限定されないが、絶縁単一壁炭素ナノチューブ126、半導電単一壁炭素ナノチューブ127、および導電単一壁炭素ナノチューブ128を備えた炭素ナノチューブからなっている。システム110は、さらにインタフェース130を備えている。インタフェース130は、リード・アセンブリ135、ライン131、および任意選択の変換器133を備えている。システム110は、さらに、インタフェース130と結合したバッテリ・アセンブリ140を備えている。図2の参照矢印144で示すように、システム110は、最終的にMEMホスト・デバイス155に電気を提供している。
【0039】
図3は、アレイ22を形成している単一壁炭素ナノチューブに関連する様々な格子構造を示したものである。ここでも、当業者であれば、アレイ22が、図3に示す格子構造の任意の組合せを備えることができることを認識されるであろうことに言及しておく。したがって各炭素ナノチューブは、実質的に単一壁炭素ナノチューブの各々の中心線に沿って延びた対称軸66を有している。
【0040】
図3aは、電気絶縁単一壁炭素ナノチューブ228を示したものである。したがってアレイ22は、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブ128を備えている。したがって絶縁単一壁炭素ナノチューブ228は、絶縁格子構造218を備えている。図3aに示すように、絶縁格子構造218は、対称軸66から角度αで格子が形成されていることを示している。格子構造218の角度αは、対称軸66から30°である。一例示的実施形態では、格子構造218は、ジグザグ・フォーメーション(配置)からなっている。したがって絶縁単一壁炭素ナノチューブ228の各々は、絶縁単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを禁じるように構成されている。
【0041】
図3bを参照すると、半導電単一壁炭素ナノチューブ227が示されている。一例示的実施形態では、アレイ22は、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブ227を備えている。半導電単一壁炭素ナノチューブ227の各々は、半導電格子構造217を備えている。したがって格子構造217の各々は、図3bに示すように、対称軸66から角度βの位置に配置されている。一例示的実施形態では、半導電格子構造217の角度βは、0°より大きく、かつ、30°未満である。一例示的実施形態では、格子構造217はキラル(chiral)構成からなっている。したがってアレイ22の半導電単一壁炭素ナノチューブ227の各々は、半導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを抑制するように構成されている。
【0042】
図3cを参照すると、導電単一壁炭素ナノチューブ226が示されている。導電単一壁炭素ナノチューブ226は、導電格子構造216を備えている。図3cに示すように、格子構造216の各々は、対称軸66に対して角度θで配置されている。格子構造216の角度θは、対称軸66から0°である。一例示的実施形態では、格子構造216はアームチェア構成からなっている。したがってアレイ22の導電単一壁炭素ナノチューブの各々は、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを促進するように構成されている。
【0043】
さらに、一例示的実施形態では、アレイ22の導電単一壁炭素ナノチューブ226の各々は、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気を導電性の高い流れに促進するように構成されている。詳細には、高導電構成の場合、導電格子構造216は、対称軸66に対して平行に整列している。本明細書および特許請求の範囲の各請求項においては、高導電という用語は、実質的に損失を伴うことなく電気を引き渡すことができる炭素ナノチューブの能力を意味していることに言及しておく。しかしながら、一例示的実施形態における、アレイとインタフェースの間での電気の引き渡しの際に生じる固有の抵抗損失については、当業者には認識されよう。
【0044】
要約すると、アレイ22の単一壁炭素ナノチューブの各々の格子構造が変化すると、そのナノチューブの電気を導く能力が変化する。アレイ22は、適用例に応じて、絶縁、半導電および導電の各単一壁炭素ナノチューブの任意の組合せを備えることができる。また、他の例示的実施形態では、アレイ22が、例えば同様の機械的特性および電気的特性を有する多重壁炭素ナノチューブなど、単一壁炭素ナノチューブ以外のナノチューブを備えていることに言及しておく。
【0045】
図4は、アレイを画定するべく単一壁炭素ナノチューブを配列するいくつかの態様を詳細に示した略図である。詳細には、図4は、少なくとも1つのアレイを備えた構造を製造するための一例示的実施形態を示したものである。システム100は、構造110によって提供される基盤に関してアレイを配列している。図4に示すシステム100により、制御環境105中で、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造110が形成される。
【0046】
詳細には、構造110は、例えばレイジング(レーザ処理)・システムなどの装置107を使用して形成される。装置107の例として、これらに限定されないが、高エネルギー密度システム、レイジング・システム、電子ビーム装置、電気アーク装置、化学蒸着装置、および分子線エピタキシャル装置がある。装置107は、フォーメーション・エレメント(構成要素)108を備えている。フォーメーション・エレメント108は、基盤および基盤に関して配列された少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造を生成している。フォーメーション・エレメント108は、単一壁炭素ナノチューブを基盤に関して配列し、電気を圧電発生させるための少なくとも1つのアレイを画定している。
【0047】
実例として、例えば装置は、当業界で良く知られているタイプの産業用レーザを備えている。産業用レーザは、制御環境105内でのレーザ・エネルギーの発生を容易にするために、サポート・アセンブリ(支持組立体)109に結合されている。実例として、操作に関しては、例えばレーザ・アブレーションあるいは電気アーク放電など、当業界で良く知られているタイプの確立した手順に従って、レーザ・エネルギーを装置107から基盤に印加することによってアレイが形成される。したがって構造110は、システム100によって形成されている。
【0048】
図5に示す例示的実施形態の装置180は、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造を生成するために設けられたものである。図5に示す実施形態では、多数の単一壁炭素ナノチューブが、構造を製造する場所とは別の場所で製造されている。詳細には、別の場所で製造された単一壁炭素ナノチューブ供給材料は、供給材料源189から装置180に供給される。装置180は、ジェネレーティング(創生)・エレメント183を備えている。ジェネレーティング・エレメント183は、供給材料源189と結合した、単一壁炭素ナノチューブ供給材料189を介して構造に単一壁炭素ナノチューブを提供するための供給ユニット185を備えている。例えば一例示的実施形態では、ジェネレーティング・エレメント183は、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを基盤に関して形成するためのレイジング・エネルギー・アプリケータ(付与装置)184を備えている。
【0049】
また、装置180には制御システム188が結合されていることについても言及しておく。制御システム188は、構造の形成に関して、供給材料源189からの単一壁炭素ナノチューブ供給材料の供給を制御している。また、制御システム188は、処理装置180がアレイの配列を実施する際に、構造内における単一壁炭素ナノチューブの各々のアレイの配列を用意している。
【0050】
図5に示す構造190は、基板199上に配置された合成物198を備えている。構造190の他の実施形態では基板が排除され得ることは、当業者には容易に認識されよう。
【0051】
図5に示す実施形態の場合、構造190は、格子様軸配列195に沿ったネット、ウェブおよび/またはメッシュ様形状の複数のアレイ193を備えている。また、一実施形態では、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイは、基盤194に関して配列された炭素ナノチューブ・ファイバのネットワーク(網状組織)によって画定されている。
【0052】
図6に示す実施形態の場合、構造160は、基盤161に関して本来の位置に導入された単一壁炭素ナノチューブのアレイ163を備えている。したがって構造160には、複数の触媒164が含まれている。図6に示すように、少なくとも1つのアレイが格子様配列165に沿って配列され、実質的にメッシュ様形状を形成している。
【0053】
図7に示す実施形態の場合、構造は、基盤171に関して本来の位置に導入された単一壁炭素ナノチューブのアレイ173を備えている。したがって構造170には、複数の触媒174が含まれている。図7に示すように、少なくとも1つのアレイが格子様軸配列175に沿って配列され、メッシュ様形状を形成している。
【0054】
図8は、実例として、ホスト・デバイスに電気を供給するためのシステム60の一例示的実施形態を示したもので、システムは構造66を備えている。構造66は、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えている。アレイは、水域61の波動を介して力を受け、その力から電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、図8に示すように、構造66は、水域61によって付与される潮汐運動と動作状係合している。
【0055】
しかしながら、様々な物理的状態を利用して構造66に力を付与することができる他の構造の構成については、当業者には容易に認識されよう。例えば、これらに限定されないが、急激な流れ、飛行中に生成される突風、太陽風、砂および雪などの粒子の移動、あるいは大気条件から、構造66に付与する運動を引き出すことができる。
【0056】
図8を参照すると、構造66は、水域61下の土壌62中に固定されている。図8に示すシステム60は、電気ウェル(汲み上げ井戸)・アセンブリ65を備えており、該電気ウェル・アセンブリ65は、ハウジング67を備えている。一例示的実施形態では、ハウジング67は圧力容器からなっている。動作に関しては、ハウジング67は、構造66によって生成される電気を保持するための蓄積ユニットを備えている。また、ハウジング67は、構造66を水域61と係合させるべく所定の位置に固定している。
【0057】
システム60は、さらに、構造66を電気結合したインタフェース68を備えている。構造66内における炭素ナノチューブの変位によって圧電生成された電気は、インタフェース68に引き渡される。
【0058】
例えばバッテリなどの蓄積ユニットは、インタフェース68に結合され、インタフェース68から電気を受け取っている。図8に示すように、インタフェース68には単一の蓄積ユニット69が結合されているが、多重蓄積ユニット・アセンブリ70をインタフェース68に結合することができる。多重蓄積ユニット・アセンブリ70は、蓄積ユニット72のアレイと結合した制御システム71を備えている。制御システム71は、インタフェース68から蓄積ユニット72のアレイへの電気の分配を容易にしている。したがって電気は、インタフェース71から制御システム71へ引き渡され、制御システム71から、複数の蓄積ユニット72の中から制御システム71によって選択された少なくとも1つの蓄積ユニットへ引き渡される。
【0059】
一例示的実施形態では、電気ウェル・アセンブリ65は、さらに、ハウジング67の蓄積ユニットと結合したアウトレット(出力)・ライン77を備えている。また、アウトレット・インタフェース78がアウトレット・ライン77に結合されている。アウトレット・ライン77とアウトレット・インタフェース78を組み合わせることにより、電気ウェル・アセンブリ65からの電気の採集を遠隔で便利に実施することができる。
【0060】
実例として、例えばアウトレット・インタフェース78を水域61上に浮遊させ、それにより構造66によって生成される電気を水域61上で採集することもできる。他の実施形態では、電気ウェル・アセンブリのネットワークにアウトレット・インタフェース78が結合され、複数の構造66から電気が集合的に採集されている。他の例示的実施形態では、インタフェース78およびアウトレット・ライン77は、土壌62を介して陸上の遠隔ホスト・デバイスに電気を引き渡すべく配置されている。
【0061】
図9は、電気を発生させるためのシステム80を示したもので、図8に示すシステム60と類似している。システム80は、構造82および構造82と電気結合したインタフェース88を備えている。構造82は、基盤83および多数の単一壁炭素ナノチューブ90を備えたアレイ84を備えている。
【0062】
一例示的実施形態では、構造82は、図9に示すように、水域の潮汐運動に最適係合させるべく、フック様構成からなっている。構造82は、任意選択でフィン86および87を備え、移動水域との係合を強化している。図9に示すように、フィン86は、ZY平面に沿って移動する流体に係合させるためのものであり、一方、フィン87は、XY平面に沿った流体運動に係合させるためのものである。
【0063】
上で言及したように、図9に示すアレイはファン構成からなっており、単一壁炭素ナノチューブが、潮汐力による最適運動を受ける、構造82のフック様末端部分の基盤83内により多く集中するようになっている。また、一例示的実施形態では、炭素ナノチューブ90は、電気を圧電発生させるための複数の高導電炭素ナノチューブを備えている。
【0064】
システム80は、構造82の一端を固定するためのアンカ81を備えている。また、一例示的実施形態では、アンカ81は、インタフェース88を収納している。インタフェース88は、アレイ84と電気結合した、アレイ84から電気を受け取るための端子92を備えている。一例示的実施形態では、インタフェース88は、直流を交流に変換するための変換器96を備えている。システム80は、さらに、インタフェース88と電気結合したバッテリ・アセンブリ89を備えている。
【0065】
動作に関しては、端子92からライン94に沿ってインタフェース88を経由してバッテリ・アセンブリ89に電気が流れ、バッテリ・アセンブリ89が、アレイ84から受け取った電気を収集する。また、図9の参照矢印99で示すように、バッテリ・アセンブリ89は、ホスト・デバイス(図示せず)に電気を引き渡している。
【0066】
以上、本発明について詳細に説明したが、特許請求の範囲の各請求項に記述されている本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更、代用および改変を加えることができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた、電気を発生させるための本発明によるシステムを示す略図である。
【図2】
電気を圧電発生させるためのシステムの他の実施形態を示す略図である。
【図3】
電気を圧電発生させるための構成として、単一壁炭素ナノチューブの様々な格子構造を示す略図である。
【図3a】
電気絶縁アプリケーションのためのジグザグ格子を示す図である。
【図3b】
電気半導電のアプリケーションのためのキラル格子を示す図である。
【図3c】
高電気導電アプリケーションのためのアームチェア格子を示す図である。
【図4】
図1に示す単一壁炭素ナノチューブのアレイを生成するための構造形成アセンブリを示す略図である。
【図5】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図6】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図7】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図8】
機械的な波動に基づいて電気を発生させるためのシステムを示す略図である。
【図9】
単一壁炭素ナノチューブのアレイとインタフェースを電気結合する一態様を含む、図8のシステムを詳細に示す略図である。
(I.発明の分野)
本発明は一般に機械力が印加されると電気を発生する材料構造に関し、より詳細にはホスト・デバイス(上位装置)で使用するために電気を発生するシステムおよび方法に関する。このシステムは、機械力を受け取り、その機械力から電気を圧電発生させるための単一壁炭素ナノチューブ・アレイ(配列装置)を特徴としている。
【0002】
(II.従来技術の詳細な説明)
例えば電動機車両、遠隔知覚システム、およびコンピュータ、セルラー電話、パーソナル・データ・アシスタント(PDA)などの可搬型無線情報デバイスなど、多くの典型的なホスト・システムの実施例には、それらを動作させるための電気が必要である。しかし、これらの移動ホスト・デバイスは、例えば壁のコンセントなど標準の電力源から離れた領域で使用されるため、しばしばその運用活動が制限されている。
【0003】
通常、このような遠隔領域でホスト・デバイスを動作させるために、バッテリ・システムおよび/または石油で動作する発電機などの可搬型発電システムを使用して電気が供給されている。可搬型コンピュータおよびセル電話などの小型電気デバイスにはバッテリ・システムが広く使用されているが、より大型のデバイスには、可搬型発電機または発電機とバッテリ・システムを特徴とするハイブリッド・システムが必要である。
【0004】
残念ながら、デバイスの複雑化に伴い、バッテリ・システムおよび/または可搬型発電機は、ホスト・デバイスに電気を供給するための動作寿命が有限である。例えば電気エネルギーを使い果たしたバッテリ・システムは、一定の電気を供給してホスト・デバイスの動作を継続させるためには、標準の電気コンセントを介して充電するか、あるいは他のバッテリと交換しなければならない。同様に、可搬型発電機は、電気を発生する関連部品を駆動するために、例えば化石燃料、核燃料棒、水素燃料電池などの燃料源を補給しなければならない。
【0005】
電気に基づくデバイスに対する相互依存がますます強くなっているにもかかわらず、既存の遠隔電気発電システムの電気供給は、その供給時間すなわち連続使用動作期間が長くなっていない。
【0006】
従来技術のその他の多くの問題および欠点については、これらの従来技術と本明細書において説明する本発明とを比較することにより、当業者には明らかになるであろう。
【0007】
(発明の概要)
炭素の3つの共通の同素体は、バッキーボールなどのダイヤモンド、グラファイトおよびフラーレン(fullerene)である。例えば炭素ナノチューブは、圧電に関する電気特性ばかりでなく、鋼および他の材料より優れた機械強度特性およびひずみ特性を示し、かつ、現行のセラミックまたは重合体複合材と同程度またはそれ以下の、極めて小さい密度特性を示す新しいタイプのフラーレンである。
【0008】
炭素ナノチューブは、典型的には中空管状タイプのフラーレン構造である。通常、炭素ナノチューブは、六角形格子、場合によっては七角形格子と五角形格子を組み合わせた二次元シートからなっている。このシートは、まとめて折り重ねられ、両端にフラーレン・キャップの蓋が施されることもある。形状が管状であるため、炭素ナノチューブは外側に向かって延び、その直径の何百万倍もの長さを潜在的に有する素線を形成している。
【0009】
圧電特性には、機械的な力の印加による、炭素ナノチューブと結合した誘電体結晶構造中での電気の発生が含まれていることに言及しておく。また、炭素ナノチューブは、その結晶格子構造の配列に応じて、絶縁特性、半導電特性および金属電気特性を組み合わせた多様性を備えている。詳細には、ナノチューブのカイラリティすなわち捻れが、コンダクタンス(導電率)、密度、格子構造、およびナノチューブに関連する他の特性をもたらしている。
【0010】
本発明の態様は、ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するためのシステムおよび方法に見出される。一例示的実施形態では、システムは、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた構造を備えている。
【0011】
動作に関しては、システムは、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。詳細にはアレイが力を受け、受けた力から電気を圧電発生している。システムは、さらに、アレイと電気結合したインタフェース(仲立ち装置)を備えており、上記の構造は、このインタフェースによって、インタフェースと結合した電気デバイスに電気を供給することができる。
【0012】
一態様では、システムは、さらに、インタフェースと電気結合したバッテリ・アセンブリ(組立体)を備えている。動作に関しては、バッテリ・アセンブリがアレイから電気を受け取っている。
【0013】
一態様では、インタフェースは変換器を備えており、この変換器がアレイから電気を受け取り、直流と交流の間の変換を提供している。
【0014】
一例示的実施形態では、アレイは、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブを備えている。他の例示的実施形態では、アレイは、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブを備えている。他の例示的実施形態では、アレイは、複数の導電単一壁炭素ナノチューブを備えている。
【0015】
一態様では、ホスト・デバイスは、超小型電気機械システム(MEM)を備えている。他の態様では、ホスト・デバイスは、サイズの範囲が1×10−9メートル以内のシステムを表すナノスケール・システムを備えている。一例示的実施形態では、構造がスプリングからなっていることにさらに言及しておく。
【0016】
さらに他の態様では、方法には、ホスト・デバイスで使用するために電気を供給する段階が含まれている。また、方法には、アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階が含まれている。
【0017】
本発明の他の態様、利点および新規な特徴については、添付の図面と共に本発明についての詳細な説明を考察することにより、明らかになるであろう。
【0018】
図に示す構成要素が、分かり易く簡潔に示されており、また、必ずしもスケール通りに画かれていないことについては、当業者には理解されよう。例えば、本発明の実施形態をより深く理解するために、図に示す構成要素のいくつかは、他の構成要素に対して寸法が誇張されている。
【0019】
添付の図は、何ら制限されることのない実施例として本発明を示したものである。図の類似参照番号は、類似の構成要素を表している。
【0020】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
図は、本発明の好ましい実施形態を示したもので、全図を通して類似番号を使用して、同一部品および対応する部品が参照されているが、開示する実施形態が単に本発明の典型例に過ぎず、様々な形態で具体化することができることを理解すべきである。
【0021】
図1は、ホスト・デバイス50で使用するために電気を発生するシステム10の態様を示したもので、数ある態様のうちの1つである。通常、システム10は、電気の圧電発生を容易にするための力刺激を受けている。
【0022】
図1に示すように、システム10は構造20を備えている。構造20は、基盤21および基盤21と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイ22を備えている。
【0023】
動作に関しては、構造20は力を受けている。したがってその力によってアレイ22が変位し、その変位によって電気が圧電発生する。
【0024】
電気は、事実上、元の位置から機械的に変位した単一壁炭素ナノチューブの各々に対して圧電発生する。したがって各々の単一壁炭素ナノチューブが互いに集合的に協同し、それによりアレイ22は、それぞれ機械的に変位した単一壁炭素ナノチューブの合計によって特性化される電気を発生する。
【0025】
構造20によって生成される電気の量は、アレイ22を形成している炭素ナノチューブの総数によって決まる。また、構造によって生成される電気の量は、構造20、基盤21およびアレイ22の形状およびサイズ構成によって決まる。構造20によって生成される電気の量は、さらに、アレイ22によって提供される各単一壁炭素ナノチューブの格子構造の形状およびサイズ構成によって決まる。実例として例えばアレイ22は、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブ26、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブ27、および/または導電または高導電炭素ナノチューブ28のアレイを備えている。
【0026】
電気を圧電発生させるための力変位に適応する限り、構造20の構成を任意の形状またはサイズ構成にすることができることは、当業者には容易に認識されよう。したがって図1の文字「C」で示すように、構造20に圧縮力が印加されると、アレイ22は機械的に変位する。この圧縮力の印加によって炭素ナノチューブが変位し、それにより電気が圧電発生する。同様に、実例として図1の文字「T」で示す引張り力を構造20に印加することにより、アレイ22は電気を圧電発生する。
【0027】
図1に示す一例示的実施形態では、構造20はスプリング構成になっており、したがってスプリング構造20による元の位置からの変位と元の位置への復帰運動によってアレイ22が自由に運動し、それにより電気の圧電発生が強化されている。
【0028】
一例示的実施形態では、基盤21は、アレイ22に電気的に適応する材料からなっている。一例示的実施形態では、基盤21は、少なくとも1つの電解材を備えている。一例示的実施形態では、基盤21は、アレイ22の変位に適応するべく、例えばエラストマーすなわちスマート材などの弾性材からなっている。
【0029】
一例示的実施形態では、アレイ22は、以下でさらに詳細に考察するように、電気の圧電発生を最適化するべく、基盤21に関して配列されている。実例としては、図1および2の例示的実施形態の場合、アレイ22は、メッシュすなわち「ネット形状」構成になっており、したがってアレイ22を画定している単一壁炭素ナノチューブは、ネットすなわちメッシュ形状構成で配列され、それにより電気を圧電発生し、かつ、構造20から引き渡すための電気回路を形成している。また、各炭素ナノチューブの強度特性および破砕特性により、炭素ナノチューブをメッシュ様構造にすることによって基盤21が補強され、ひいてはその機械力による反復変位にもかかわらず、構造20の最適形状およびサイズが維持されている。実例として一例示的実施形態では、単一壁炭素ナノチューブのアレイ22によって提供されるネット形状により、スプリング構成を有する構造20が強化されている。一例示的代替実施形態では、図9に示すアレイ84は、ファン(扇)様形状からなっており、構造28の末端領域は、その反対側の、変位量が少なく、したがって単一壁炭素ナノチューブの量が少ない領域と比較すると単一壁炭素ナノチューブがより多く集中している。
【0030】
図1を参照すると、システム10は、さらに、アレイ22と電気結合したインタフェース30を備えている。動作に関しては、インタフェース30は、アレイ22が発生する電気を受け取っている。また、インタフェース30は電気デバイスとリンクしており、アレイ22からインタフェース30を介して、これには限定されないが、バッテリ・アセンブリまたはホスト・デバイスなどの電気デバイスに電気を引き渡している。
【0031】
一例示的実施形態では、インタフェース30は、図1に示すように、リード(導出)・アセンブリ35を備えている。リード・アセンブリ35は、アレイ22と電気結合しており、構造20からリード・アセンブリ35に電気が引き渡される。リード・アセンブリ35はライン(導線)31を備えている。動作に関しては、ライン31によって、インタフェース30を介してリード・アセンブリ35から電気が引き渡される。
【0032】
一例示的実施形態では、インタフェースは変換器33を備えている。変換器33はアレイ22から電気を受け取り、直流と交流の変換を提供している。また、一例示的実施形態では、変換器33は、例えばNew Jersey州Cedar KnollsにあるTDI製の5.0キロワット(kW)DC−AC正弦波インバータなど、当業界で良く知られているタイプのインバータを備えている。
【0033】
図1を参照すると、システム10は、さらに、インタフェース30と電気結合したバッテリ・アセンブリ40を備えている。動作に関しては、インタフェース30を介してアレイ22から受け取った電気を使用して、バッテリ・アセンブリ40を充電している。一例示的実施形態では、インタフェース30は、バッテリ・アセンブリ40を徐々に充電するべく、細流充電シーケンスを実施するための回路を備えている。一例示的実施形態では、バッテリ・アセンブリ40は、構造22によって充電される複数のバッテリを備えている。
【0034】
図1の参照矢印44で示すように、アレイ22によって生成された電気は、最終的にはシステム10からホスト・デバイス50へ引き渡される。ホスト・デバイスには、例えば動作用直流電気あるいは交流電気を必要とする任意の1つまたは複数のデバイスが含まれていることは、当業者には認識されよう。ホスト・デバイスとして、例えば、セル電話、ディジタル・カメラおよび可搬型コンピュータがあるが、これらに限定されるものではない。
【0035】
ホスト・デバイス50に最終的に電気を提供するために、バッテリ・アセンブリ40をインタフェース30に結合する必要のない他の例示的実施形態が存在していることについては、当業者には容易に認識されよう。これに代えて、変換器33と結合したインタフェース30に、ホスト・システム50に交流を直接提供させることもできる。
【0036】
要約すると、ホスト・デバイス50に電気を提供するためのシステム10の動作は、次の通りである。構造20に印加される機械力によってアレイ22が変位し、それによりアレイ22を構成している炭素ナノチューブが電気を圧電発生する。アレイ22は、発生した電気を構造20からインタフェース30に引き渡すための回路を形成している。インタフェース30は、最終的に電気をホスト・デバイス50に引き渡すために、システム10によって設けられている。
【0037】
図2の例示的実施形態を参照すると、システム110は、ホスト・デバイス155で使用するために電気を生成している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス155は超小型電気機械システム(MEM)を備えており、それによりアレイ122の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス155が消費する電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス155は、サイズの範囲が1×10−6メートルと1×10−9メートルの間の大きさのシステムを備えており、それによりアレイ122の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス155が消費する電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、ホスト・デバイス155は、サイズが約1×10−9メートルまでの大きさのシステムを備えており、それによりアレイ122の炭素ナノチューブが、ホスト・デバイス155が消費する電気を圧電発生している。
【0038】
図2の例示的実施形態は、図1に示す例示的実施形態と類似しているが、図2のシステム110は別法として、MEMホスト・デバイス155に電気を提供している。したがってシステム110は、基盤121に関して配列されたアレイ122を有する構造120を備えている。アレイ122は、これらには限定されないが、絶縁単一壁炭素ナノチューブ126、半導電単一壁炭素ナノチューブ127、および導電単一壁炭素ナノチューブ128を備えた炭素ナノチューブからなっている。システム110は、さらにインタフェース130を備えている。インタフェース130は、リード・アセンブリ135、ライン131、および任意選択の変換器133を備えている。システム110は、さらに、インタフェース130と結合したバッテリ・アセンブリ140を備えている。図2の参照矢印144で示すように、システム110は、最終的にMEMホスト・デバイス155に電気を提供している。
【0039】
図3は、アレイ22を形成している単一壁炭素ナノチューブに関連する様々な格子構造を示したものである。ここでも、当業者であれば、アレイ22が、図3に示す格子構造の任意の組合せを備えることができることを認識されるであろうことに言及しておく。したがって各炭素ナノチューブは、実質的に単一壁炭素ナノチューブの各々の中心線に沿って延びた対称軸66を有している。
【0040】
図3aは、電気絶縁単一壁炭素ナノチューブ228を示したものである。したがってアレイ22は、複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブ128を備えている。したがって絶縁単一壁炭素ナノチューブ228は、絶縁格子構造218を備えている。図3aに示すように、絶縁格子構造218は、対称軸66から角度αで格子が形成されていることを示している。格子構造218の角度αは、対称軸66から30°である。一例示的実施形態では、格子構造218は、ジグザグ・フォーメーション(配置)からなっている。したがって絶縁単一壁炭素ナノチューブ228の各々は、絶縁単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを禁じるように構成されている。
【0041】
図3bを参照すると、半導電単一壁炭素ナノチューブ227が示されている。一例示的実施形態では、アレイ22は、複数の半導電単一壁炭素ナノチューブ227を備えている。半導電単一壁炭素ナノチューブ227の各々は、半導電格子構造217を備えている。したがって格子構造217の各々は、図3bに示すように、対称軸66から角度βの位置に配置されている。一例示的実施形態では、半導電格子構造217の角度βは、0°より大きく、かつ、30°未満である。一例示的実施形態では、格子構造217はキラル(chiral)構成からなっている。したがってアレイ22の半導電単一壁炭素ナノチューブ227の各々は、半導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを抑制するように構成されている。
【0042】
図3cを参照すると、導電単一壁炭素ナノチューブ226が示されている。導電単一壁炭素ナノチューブ226は、導電格子構造216を備えている。図3cに示すように、格子構造216の各々は、対称軸66に対して角度θで配置されている。格子構造216の角度θは、対称軸66から0°である。一例示的実施形態では、格子構造216はアームチェア構成からなっている。したがってアレイ22の導電単一壁炭素ナノチューブの各々は、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを促進するように構成されている。
【0043】
さらに、一例示的実施形態では、アレイ22の導電単一壁炭素ナノチューブ226の各々は、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気を導電性の高い流れに促進するように構成されている。詳細には、高導電構成の場合、導電格子構造216は、対称軸66に対して平行に整列している。本明細書および特許請求の範囲の各請求項においては、高導電という用語は、実質的に損失を伴うことなく電気を引き渡すことができる炭素ナノチューブの能力を意味していることに言及しておく。しかしながら、一例示的実施形態における、アレイとインタフェースの間での電気の引き渡しの際に生じる固有の抵抗損失については、当業者には認識されよう。
【0044】
要約すると、アレイ22の単一壁炭素ナノチューブの各々の格子構造が変化すると、そのナノチューブの電気を導く能力が変化する。アレイ22は、適用例に応じて、絶縁、半導電および導電の各単一壁炭素ナノチューブの任意の組合せを備えることができる。また、他の例示的実施形態では、アレイ22が、例えば同様の機械的特性および電気的特性を有する多重壁炭素ナノチューブなど、単一壁炭素ナノチューブ以外のナノチューブを備えていることに言及しておく。
【0045】
図4は、アレイを画定するべく単一壁炭素ナノチューブを配列するいくつかの態様を詳細に示した略図である。詳細には、図4は、少なくとも1つのアレイを備えた構造を製造するための一例示的実施形態を示したものである。システム100は、構造110によって提供される基盤に関してアレイを配列している。図4に示すシステム100により、制御環境105中で、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造110が形成される。
【0046】
詳細には、構造110は、例えばレイジング(レーザ処理)・システムなどの装置107を使用して形成される。装置107の例として、これらに限定されないが、高エネルギー密度システム、レイジング・システム、電子ビーム装置、電気アーク装置、化学蒸着装置、および分子線エピタキシャル装置がある。装置107は、フォーメーション・エレメント(構成要素)108を備えている。フォーメーション・エレメント108は、基盤および基盤に関して配列された少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造を生成している。フォーメーション・エレメント108は、単一壁炭素ナノチューブを基盤に関して配列し、電気を圧電発生させるための少なくとも1つのアレイを画定している。
【0047】
実例として、例えば装置は、当業界で良く知られているタイプの産業用レーザを備えている。産業用レーザは、制御環境105内でのレーザ・エネルギーの発生を容易にするために、サポート・アセンブリ(支持組立体)109に結合されている。実例として、操作に関しては、例えばレーザ・アブレーションあるいは電気アーク放電など、当業界で良く知られているタイプの確立した手順に従って、レーザ・エネルギーを装置107から基盤に印加することによってアレイが形成される。したがって構造110は、システム100によって形成されている。
【0048】
図5に示す例示的実施形態の装置180は、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを備えた構造を生成するために設けられたものである。図5に示す実施形態では、多数の単一壁炭素ナノチューブが、構造を製造する場所とは別の場所で製造されている。詳細には、別の場所で製造された単一壁炭素ナノチューブ供給材料は、供給材料源189から装置180に供給される。装置180は、ジェネレーティング(創生)・エレメント183を備えている。ジェネレーティング・エレメント183は、供給材料源189と結合した、単一壁炭素ナノチューブ供給材料189を介して構造に単一壁炭素ナノチューブを提供するための供給ユニット185を備えている。例えば一例示的実施形態では、ジェネレーティング・エレメント183は、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイを基盤に関して形成するためのレイジング・エネルギー・アプリケータ(付与装置)184を備えている。
【0049】
また、装置180には制御システム188が結合されていることについても言及しておく。制御システム188は、構造の形成に関して、供給材料源189からの単一壁炭素ナノチューブ供給材料の供給を制御している。また、制御システム188は、処理装置180がアレイの配列を実施する際に、構造内における単一壁炭素ナノチューブの各々のアレイの配列を用意している。
【0050】
図5に示す構造190は、基板199上に配置された合成物198を備えている。構造190の他の実施形態では基板が排除され得ることは、当業者には容易に認識されよう。
【0051】
図5に示す実施形態の場合、構造190は、格子様軸配列195に沿ったネット、ウェブおよび/またはメッシュ様形状の複数のアレイ193を備えている。また、一実施形態では、少なくとも1つの単一壁炭素ナノチューブ・アレイは、基盤194に関して配列された炭素ナノチューブ・ファイバのネットワーク(網状組織)によって画定されている。
【0052】
図6に示す実施形態の場合、構造160は、基盤161に関して本来の位置に導入された単一壁炭素ナノチューブのアレイ163を備えている。したがって構造160には、複数の触媒164が含まれている。図6に示すように、少なくとも1つのアレイが格子様配列165に沿って配列され、実質的にメッシュ様形状を形成している。
【0053】
図7に示す実施形態の場合、構造は、基盤171に関して本来の位置に導入された単一壁炭素ナノチューブのアレイ173を備えている。したがって構造170には、複数の触媒174が含まれている。図7に示すように、少なくとも1つのアレイが格子様軸配列175に沿って配列され、メッシュ様形状を形成している。
【0054】
図8は、実例として、ホスト・デバイスに電気を供給するためのシステム60の一例示的実施形態を示したもので、システムは構造66を備えている。構造66は、基盤に関して配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えている。アレイは、水域61の波動を介して力を受け、その力から電気を圧電発生している。一例示的実施形態では、図8に示すように、構造66は、水域61によって付与される潮汐運動と動作状係合している。
【0055】
しかしながら、様々な物理的状態を利用して構造66に力を付与することができる他の構造の構成については、当業者には容易に認識されよう。例えば、これらに限定されないが、急激な流れ、飛行中に生成される突風、太陽風、砂および雪などの粒子の移動、あるいは大気条件から、構造66に付与する運動を引き出すことができる。
【0056】
図8を参照すると、構造66は、水域61下の土壌62中に固定されている。図8に示すシステム60は、電気ウェル(汲み上げ井戸)・アセンブリ65を備えており、該電気ウェル・アセンブリ65は、ハウジング67を備えている。一例示的実施形態では、ハウジング67は圧力容器からなっている。動作に関しては、ハウジング67は、構造66によって生成される電気を保持するための蓄積ユニットを備えている。また、ハウジング67は、構造66を水域61と係合させるべく所定の位置に固定している。
【0057】
システム60は、さらに、構造66を電気結合したインタフェース68を備えている。構造66内における炭素ナノチューブの変位によって圧電生成された電気は、インタフェース68に引き渡される。
【0058】
例えばバッテリなどの蓄積ユニットは、インタフェース68に結合され、インタフェース68から電気を受け取っている。図8に示すように、インタフェース68には単一の蓄積ユニット69が結合されているが、多重蓄積ユニット・アセンブリ70をインタフェース68に結合することができる。多重蓄積ユニット・アセンブリ70は、蓄積ユニット72のアレイと結合した制御システム71を備えている。制御システム71は、インタフェース68から蓄積ユニット72のアレイへの電気の分配を容易にしている。したがって電気は、インタフェース71から制御システム71へ引き渡され、制御システム71から、複数の蓄積ユニット72の中から制御システム71によって選択された少なくとも1つの蓄積ユニットへ引き渡される。
【0059】
一例示的実施形態では、電気ウェル・アセンブリ65は、さらに、ハウジング67の蓄積ユニットと結合したアウトレット(出力)・ライン77を備えている。また、アウトレット・インタフェース78がアウトレット・ライン77に結合されている。アウトレット・ライン77とアウトレット・インタフェース78を組み合わせることにより、電気ウェル・アセンブリ65からの電気の採集を遠隔で便利に実施することができる。
【0060】
実例として、例えばアウトレット・インタフェース78を水域61上に浮遊させ、それにより構造66によって生成される電気を水域61上で採集することもできる。他の実施形態では、電気ウェル・アセンブリのネットワークにアウトレット・インタフェース78が結合され、複数の構造66から電気が集合的に採集されている。他の例示的実施形態では、インタフェース78およびアウトレット・ライン77は、土壌62を介して陸上の遠隔ホスト・デバイスに電気を引き渡すべく配置されている。
【0061】
図9は、電気を発生させるためのシステム80を示したもので、図8に示すシステム60と類似している。システム80は、構造82および構造82と電気結合したインタフェース88を備えている。構造82は、基盤83および多数の単一壁炭素ナノチューブ90を備えたアレイ84を備えている。
【0062】
一例示的実施形態では、構造82は、図9に示すように、水域の潮汐運動に最適係合させるべく、フック様構成からなっている。構造82は、任意選択でフィン86および87を備え、移動水域との係合を強化している。図9に示すように、フィン86は、ZY平面に沿って移動する流体に係合させるためのものであり、一方、フィン87は、XY平面に沿った流体運動に係合させるためのものである。
【0063】
上で言及したように、図9に示すアレイはファン構成からなっており、単一壁炭素ナノチューブが、潮汐力による最適運動を受ける、構造82のフック様末端部分の基盤83内により多く集中するようになっている。また、一例示的実施形態では、炭素ナノチューブ90は、電気を圧電発生させるための複数の高導電炭素ナノチューブを備えている。
【0064】
システム80は、構造82の一端を固定するためのアンカ81を備えている。また、一例示的実施形態では、アンカ81は、インタフェース88を収納している。インタフェース88は、アレイ84と電気結合した、アレイ84から電気を受け取るための端子92を備えている。一例示的実施形態では、インタフェース88は、直流を交流に変換するための変換器96を備えている。システム80は、さらに、インタフェース88と電気結合したバッテリ・アセンブリ89を備えている。
【0065】
動作に関しては、端子92からライン94に沿ってインタフェース88を経由してバッテリ・アセンブリ89に電気が流れ、バッテリ・アセンブリ89が、アレイ84から受け取った電気を収集する。また、図9の参照矢印99で示すように、バッテリ・アセンブリ89は、ホスト・デバイス(図示せず)に電気を引き渡している。
【0066】
以上、本発明について詳細に説明したが、特許請求の範囲の各請求項に記述されている本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更、代用および改変を加えることができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた、電気を発生させるための本発明によるシステムを示す略図である。
【図2】
電気を圧電発生させるためのシステムの他の実施形態を示す略図である。
【図3】
電気を圧電発生させるための構成として、単一壁炭素ナノチューブの様々な格子構造を示す略図である。
【図3a】
電気絶縁アプリケーションのためのジグザグ格子を示す図である。
【図3b】
電気半導電のアプリケーションのためのキラル格子を示す図である。
【図3c】
高電気導電アプリケーションのためのアームチェア格子を示す図である。
【図4】
図1に示す単一壁炭素ナノチューブのアレイを生成するための構造形成アセンブリを示す略図である。
【図5】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図6】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図7】
単一壁炭素ナノチューブをアレイに配列するいくつかの態様を詳細に示す略図である。
【図8】
機械的な波動に基づいて電気を発生させるためのシステムを示す略図である。
【図9】
単一壁炭素ナノチューブのアレイとインタフェースを電気結合する一態様を含む、図8のシステムを詳細に示す略図である。
Claims (23)
- ホスト・デバイスで使用するために電気を発生するシステムであって、システムが電気の発生を容易にするための力刺激を受け、かつ、
基盤と、基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイとを備えた構造であって、アレイが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイと電気結合したインタフェースとを備えたシステム。 - インタフェースと電気結合したバッテリ・アセンブリをさらに備えた、請求項1に記載のシステム。
- バッテリ・アセンブリがアレイから電気を受け取る、請求項2に記載のシステム。
- インタフェースが変換器を備えた、請求項1に記載のシステム。
- 変換器がアレイから電気を受け取り、受け取った電気を交流に変換する、請求項4に記載のシステム。
- アレイが複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブを備えた、請求項1に記載のシステム。
- 絶縁単一壁炭素ナノチューブの各々が、絶縁単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを禁じるように構成された、請求項6に記載のシステム。
- アレイが複数の半導電単一壁炭素ナノチューブを備えた、請求項1に記載のシステム。
- 半導電単一壁炭素ナノチューブの各々が、半導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを抑制するように構成された、請求項8に記載のシステム。
- アレイが複数の導電単一壁炭素ナノチューブを備えた、請求項1に記載のシステム。
- 導電単一壁炭素ナノチューブの各々が、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを促進するように構成された、請求項10に記載のシステム。
- 導電単一壁炭素ナノチューブの各々が、導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気を導電性の高い流れに促進するように構成された、請求項10に記載のシステム。
- ホスト・デバイスが超小型電気機械システム(MEM)を備えた、請求項1に記載のシステム。
- ホスト・デバイスがナノスケール・システムを備えた、請求項1に記載のシステム。
- 構造がスプリングからなる、請求項1に記載のシステム。
- 電気を発生するシステムであって、システムが電気の発生を容易にするための力刺激を受け、かつ、
基盤および基盤と共に配列された炭素ナノチューブのアレイを備えた構造であって、アレイが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイと電気結合したインタフェースとを備えたシステム。 - バッテリを充電するためのシステムであって、システムが電気の発生を容易にするための力刺激を受け、かつ、
基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた構造であって、アレイが力を受け、その力から電気を圧電発生する構造と、
アレイおよびバッテリと電気結合したインタフェースであって、バッテリがインタフェースを介してアレイから電気を受け取るインタフェースとを備えたシステム。 - ホスト・デバイスで使用するために電気を供給するための方法において、
構造に力を印加する段階であって、構造が基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備えた段階と、
構造に印加される力に基づいて、アレイを介して電気を発生させる段階と、
アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階と、
インタフェースからインタフェースと結合したホスト・デバイスに電気を引き渡す段階とを含む方法。 - インタフェースからホスト・デバイスと電気結合した蓄積ユニットに電気を引き渡す段階をさらに含む方法。
- 電気を引き渡す段階が、アレイに設けられた複数の絶縁単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを禁じる段階を含む、請求項19に記載のシステム。
- 電気を引き渡す段階が、アレイに設けられた複数の半導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを抑制する段階を含む、請求項19に記載のシステム。
- 電気を引き渡す段階が、アレイに設けられた複数の導電単一壁炭素ナノチューブを通る電気の流れを促進する段階を含む、請求項19に記載のシステム。
- 構造に力を印加することによって発生する電気を蓄積するための方法であって、構造が基盤および基盤と共に配列された単一壁炭素ナノチューブのアレイを備え、それにより構造に印加される力に基づいてアレイから電気が発生し、前記方法が、
アレイと電気結合したインタフェースを介して、アレイから電気を受け取る段階と、
インタフェースからインタフェースと電気結合した蓄積ユニットに電気を引き渡す段階とを含む方法。
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